2018年4月27日

半導體雷射— 點燃雷射商品化的火種

許晉瑋/中央大學電機系教授。


圖一:世界上所展示的第一支雷射結構示意圖。


在人類歷史中曾經經歷過許多轉捩點,讓我們的生活有了突破性的改變,例如火在生活中的應用、鐵器的使用、引擎的發明、電力的發明和普及。就筆者的觀點,在20世紀中最重要的發明是「電晶體」和「雷射」,這兩項重要的發明石破天驚般的改變了人類的文明發展。在現今的生活中,我們也隨時隨地享受著這兩項發明所帶來的便利甚至是負擔。

和電晶體的歷史相比,雷射大概年輕了13 歲(1960 年與1947 年),但是它的相關應用和普及性卻絕對不會相形遜色。以2017 年最火紅的iPhone X 為例,裡面就有許多雷射的蹤影。其和相對應的微光學元件搭配後,主要是用來當作臉部辨識的關鍵性元件。除此之外,新一代的HDMI 纜線因為超高畫質電視(4 K×8 K)的問世,也必須使用雷射和光纖來傳遞資料,以負荷如此巨量和即時的影音資訊。然而,若是回顧1960 年,人類第一台展示的紅寶石雷射,體積龐大、需要高壓電驅動,無法連續波操作等缺點都大大限制其微型化和商品化的終極目標。

在此篇文章中我們將介紹讓雷射技術商品化的火種:半導體雷射。它的角色如同希臘神話中的普羅米修斯,為雷射技術點燃了希望的火焰和光明。


電流注入才是王道
在自然界中,常常見到生物體所發出的可見螢光,然而要發現自然產生的雷射現象光芒事實上不太可能。這是因為雷射現象要發生,一定需要將滿足特定強度的能量密度,注入雷射共振腔,其內有能夠產生光學增益的介質。才能使介質中的居量反轉發生產生雷射光。如何將能量有效率且方便的饋入增益介質,便是雷射是否方便使用的關鍵。

一般說來,我們有幾種把能量饋入的方式,例如說使用強光(閃光燈),讓增益介質發生化學變化,或是利用高壓電弧光放電的效應。如圖一所示,為世界上第一支所展示的雷射 :紅寶石雷射。我們可以看到,為了將能量饋入增益介質紅寶石中,發明人使用高強度的閃光燈照射紅寶石。然而,此方法無法連續讓紅寶石產生雷射光,而且閃光燈本身也需要類似真空管的結構,不僅需要高壓電驅動,也無法微型化。綜上所述,我們能了解若要輕鬆簡易的產生雷射,最容易的方法應該就是直接把電流注入增益介質,讓其居量反轉。但是紅寶石本身為絕緣體,電流根本灌不進去,而半導體雷射的誕生就如同救世主般的一樣種要。和一般材料相比,半導體材料最可貴的地方便是其導電度可以用,外加雜質的濃度來控制。所以,可以理解在半導體雷射結構中電流注入的地方使用重摻雜,讓此區域形成如金屬般的區域,讓電流流過,而在要產生雷射的地方就讓它無摻雜,使它如絕緣體的寶石般發出雷射光。

圖二(上圖):(a)半導體材料電流流動概念性示意圖、(b)絕緣體材料電流無法流動概念性示意圖。


圖二(a)所示為半導體材料中為何能讓電流流通的物理機制示意圖。我們可以把材料內部的原子想像成地上規則排列的小洞,若我們將水注入這些小洞(此動作可想像為摻雜),當水滿出洞形成共水面,外加電流就可以如小紙船般在材料內流動。然而,如圖二(b)所示,像其他材料的例子,若是每個小洞很深、不規則排列、......【更多內容請閱讀科學月刊第581期】

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